孤島工作面層狀底板回采巷道底板破壞特征分析

楊錦峰

(神華集團包頭能源有限責任公司,內蒙古自治區包頭市,014000)

孤島工作面層狀底板回采巷道底板破壞特征分析

楊錦峰

(神華集團包頭能源有限責任公司,內蒙古自治區包頭市,014000)

曙光煤礦煤層底板層理發育,1208孤島工作面回采巷道底板受支承壓力影響大,引發底板產生剪切滑移。基于巖體力學理論,計算了巷道底板的破壞深度,分析了不同階段孤島工作面底板破壞的區域;運用FLAC3D軟件分析了巷道圍巖在不同回采階段的支承壓力集中系數,根據塑性區分布特征,得出了孤島工作面回采期間巷道的破壞類型、巷道底板的破壞類型和破壞深度。

孤島工作面 回采巷道 層狀巖層 底鼓 破壞深度

底板巖性及其所處的地質環境是影響底板應力狀態的主要因素。層狀底板巖層在水平應力作用下易發生剪切滑移,隨之引發巖層開裂、鼓起等一系列問題。孤島工作面的支承壓力較一般工作面更大,支承壓力在回采巷道保護煤柱附近轉化為水平應力,作用于回采巷道的兩幫和底板,給巷道維護帶來較大困難。因此,研究孤島工作面巷道的破壞機理從而提出有針對性的加固方案,對控制巷道變形、保障生產系統安全有重要意義。

1 工程概況

曙光煤業1208工作面位于二采區北部,南鄰1206工作面,北鄰1210工作面,采區采用跳式回采方案,1208相鄰兩工作面均已采空,屬孤島工作面。1208工作面開采煤層屬二疊系下統山西組2#煤層,煤厚平均為2.88 m,煤層傾角為0°～10°,平均傾角6°,埋藏深度497～574 m;1208工作面走向長度1873 m,傾斜長度120 m;直接頂為泥巖或砂質頁巖,厚約為1.6 m;基本頂為砂質頁巖,硬度較大,不易垮落;直接底板為砂質頁巖,具有明顯的層理特征,厚約為2.4 m;基本底為細粒砂巖,水平層理發育,煤體堅硬,厚2.42 m。兩巷均沿煤層全高掘進,采用矩形斷面。

根據1208工作面回采巷道的變形監測結果,在生產過程中,巷道普遍出現了頂底板移近量大的問題,在掘巷穩定階段,巷道變形速率達到55 mm/d,一周內變形量達300 mm;采動影響階段,巷道超前工作面100 m范圍內巷道變形更為嚴重,一周內變形量達到600 mm,巷道底鼓尤為嚴重,底鼓量達450 mm,占總變形量的75%,影響了巷道的正常使用,需要投入大量人力、物力進行刷擴、維護。所以有必要對工作面回采巷道的底鼓原因進行分析,確定合理的加固方案,有效控制巷道底鼓。

由于曙光礦1208孤島工作面回采巷道的底板為層狀巖層,回采巷道的底板兩端在支承壓力的作用下將會產生較大的剪應力,在剪應力的作用下,將會導致底板在垂直方向上產生一個明顯的分區,即底板巖層一定深度以上出現拉應變區,一定深度以下出現壓應變區。當底板巖層出現離層時,抗彎剛度大幅度的降低,回采巷道在二次水平應力作用下,將會產生失穩破壞,產生底鼓。

2 孤島工作面回采巷道層狀底板底鼓模型

孤島工作面圍巖的支承壓力較大,護巷煤柱內支承壓力峰值點距煤壁距離也較大。根據巖體力學的理論,極限平衡區底板最大破壞深度為：

式中：Dmax——底板最大破壞深度,m;

L——支承壓力峰值與煤壁之間的距離, m;

φ——巖體的內摩擦角,(°);

θ——破壞最低點同煤壁連線與豎直方向的夾角,(°)。

由式(1)可以看出底板最大破壞深度除了與巖體的內摩擦角φ有關外,還與距煤壁的距離有關,L與回采巷道底板的最大破壞深度呈正相關關系,即L越大,底板破壞深度越大。1208工作面支承壓力峰值與煤壁之間的距離為10.5 m,破壞最低點同煤壁連線與豎直方向的夾角為15°,巖體的內摩擦角取30°,將數據代入(1),得底板最大破壞深度為4.75 m。

對于1208工作面回采巷道掘進階段,巷道一側為工作面煤壁,另一側為護巷煤柱,護巷煤柱長期承受相鄰工作面殘余支承壓力作用,其傳遞至底板巖層中的應力高于工作面煤壁側,靠近煤柱側底板的破壞范圍更大,巖層更易發生剪切滑移,其巖層移動形態如圖1(a)所示。

圖1 孤島工作面回采巷道底鼓模型

采動影響階段,護巷煤柱除承受相鄰工作面殘余支承壓力作用外,同時承受回采工作面采動引發的支承壓力作用;受采動影響,回采工作面前方一定范圍的煤壁內支承壓力增大,在兩側較高的支承壓力作用下,掘巷穩定階段的平衡狀態被打破。回采期間孤島工作面回采巷道圍巖的破壞范圍隨與工作面距離的減小逐漸擴大至工作面煤壁側,且巷道兩側破壞范圍較掘巷穩定階段均有較大增加,巷道底板的剪切滑移面積大,巷道底鼓嚴重,如圖1 (b)所示。

3 孤島工作面回采巷道底板破壞分析

為進一步分析孤島工作面回采巷道的底板破壞原因,以曙光礦的實際地質背景及礦井生產條件建立FLAC3D模型,模型長300 m,寬390 m,高 78 m,其X軸方向為沿煤層走向,Y軸方向為煤層傾向,Z軸為重力方向,設其水平主應力分別為σx、σy,垂直應力為σz。模型前、后、左、右面均只施加位移邊界條件,底面固定,頂面無約束。為了消除邊界影響,模型邊界各留設50 m的保護煤柱。根據巷道位置及模型高度,在模型頂面施加上覆巖層載荷約10 MPa,在煤層直接底板中添加接觸面以模擬底板的層狀特性。計算采用的巖石物理力學參數見表1。考慮到不同階段巷道圍巖環境的差異性,確定模型開挖順序依次為1206工作面、1208工作面軌道平巷、1208工作面,分析1208工作面軌道平巷在掘巷穩定階段、采動影響階段的底板破壞情況及其演化規律。

表1 各巖層物理力學參數

3.1 采動過程底板垂直應力分布規律

在進行數值模擬時,選取一個固定面為依據,來模擬距工作面不同距離時應力的變化情況。比較了孤島工作面和普通工作面的應力分布,孤島工作面由于受到相鄰工作面回采的影響,回采巷道周圍垂直應力是普通工作面周圍垂直應力的數倍,應力集中系數較大,具體差異見表2。

表2 隨工作面推進回采巷道圍巖支承壓力集中系數對比

3.2 采動過程中底板水平應力及塑性狀態分布規律

煤層開挖后,應力平衡狀態遭到破壞,回采巷道底板在水平應力作用下,向巷道空間轉移,形成底鼓。巷道圍巖塑性區分布見圖2,由圖2可知,回采巷道底板以剪切破壞為主,1208軌道平巷在距工作面30 m時,巷道右下角出現較大區域的剪切破壞,但巷道底板的破壞深度并未增加,僅在層狀底板范圍內出現宏觀破壞。1208軌道平巷距工作面10 m時,底板剪切破壞范圍進一步增加,底板巖層破壞程度加劇。隨距1208工作面越來越近, 1208軌道平巷底板受采動影響逐漸加劇,巷道底板破壞深度達4.5 m,普通工作面巷道底板破壞深度約3.5 m,底板破壞深度與巷道圍巖支承壓力集中系數呈正相關。

圖2 巷道圍巖塑性區分布

總體來看,底板拉伸破壞區在回采過程中未出現明顯增加,說明底板在剪切破壞后發生底鼓,而層狀巖層繼續向巷道中心發生剪切滑移,阻止了巷道破壞向深部發展,但巷道底鼓量在回采過程中劇增,這是層狀底板巖層不同于其他條件時底鼓的一個主要現象。因此,可以得出,該巷道底鼓的類型是以剪切錯動型底鼓為主。

由于1208軌道平巷底板的層狀特性,加之孤島工作面支承壓力轉化為水平應力的比重較大,平巷底板破壞主要集中在層狀巖層范圍內,向兩側發展,主要誘發底板巖層的水平滑移。1208孤島工作面回采時軌道平巷圍巖水平應力分布如圖3所示,可以看出,層狀底板內出現了應力集中區, 1208軌道平巷在超前工作面20 m處,平巷正下方接觸面邊界水平應力最大,為16.9 MPa,這是因為垂直應力作用于平巷兩幫,兩幫傳遞給底板巖層,轉化為作用于平巷底板的水平應力,使平巷底板中部鼓起,形成底鼓。1208軌道平巷距工作面0 m處,平巷正下方接觸面邊界的應力達18 MPa,但軌道平巷底板破壞未向深部繼續發展。

圖3 1208軌道平巷距1208工作面不同距離時的水平應力分布

4 結論

(1)曙光礦1208孤島工作面回采巷道底板層理發育,掘巷階段底板破壞集中在靠近煤柱側;回采階段底板破壞集中在靠近工作面煤壁側。巷道底板破壞受水平應力影響較大,破壞類型以剪切錯動型底鼓為主,巷道底板破壞深度一般為4.75 m。

(2)層狀底板條件下,孤島工作面支承壓力傳遞至煤層底板,轉化為水平應力比重大,底板破壞與距工作面距離關系更密切,底板破壞深度與巷道圍巖支承壓力集中系數呈正相關。

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(責任編輯 張毅玲)

中國平煤神馬集團成立新能源汽車綜合服務公司

近日,中國平煤煤神馬集團以下屬機械裝備板塊為平臺,引入北京一家企業共同成立混合所有制企業,專業從事新能源電動汽車租賃及配套服務業務,擬發展成為以平頂山為中心、覆蓋整個河南省的電動汽車租賃和充電業務運營服務商,同時通過成熟的管理模式和運營平臺,著力打造“互聯網＋”示范應用項目、智慧城市“樁聯網＋車聯網”平臺及平頂山全新的互聯網服務產業。

目前,該公司購置的近百輛新能源純電動汽車全部辦理了使用手續,維保中心場地已準備就緒,人員培訓也已到位。租賃車型主要有純電動大巴車、純電動轎車等。

中國平煤神馬集團對新公司提出要求,要圍繞新材料、新能源項目進一步解放思想,大膽創新,不斷拓展新的發展空間。

今后,集團原則上不再購置燃油車,要全力推廣新能源汽車。

新能源汽車經營部門要統籌考慮,除提供一流的硬件設備外,還要強化后期服務工作,讓車輛使用單位不僅看到新能源汽車在功能上的優越性,還能體驗到在使用上的便捷性,為下一步大范圍推廣新能源汽車奠定良好基礎。

Characteristics analysis of mining roadway floor breaks in layered floor of isolated working face

Yang Jinfeng
(Shenhua Baotou Energy Co．,Ltd．,Baotou,Inner Mongolia 014000,China)

The mining roadway floor of 1208 isolated working face was affected seriously by bearing pressure in Shuguang Coal Mine＇s seam floor with bedding development,causing the floor shear sliding．Based on the theory of rock mechanics,the broken floor depth of mining roadway was calculated and the floor breaks zone in the isolated face at different stages were analyzed．The bearing pressure concentration factors of roadway surrounding rock at different mining stages were analyzed by FLAC3D software,according to the distribution characteristics of plastic zone, the failure type of roadway and the failure type and broken depth of roadway floor during isolated face extraction were obtained．

isolated working face,mining roadway,layered stratum,floor heave,broken depth

TD353

A

楊錦峰(1963-),男,內蒙古巴盟人,高級工程師,現任神華集團包頭能源有限責任公司董事長。